不同成型方式對排水瀝青混合料性能的影響研究

劉佳　孟憲東　彩雷洲

摘要：排水瀝青混合料空隙率較大，在重載瀝青混合料設計時，僅單純地增加馬歇爾擊實次數(shù)容易造成集料破碎導致級配范圍變化，影響瀝青混合料設計精度。對于一般瀝青混合料而言，旋轉(zhuǎn)壓實比馬歇爾擊實能取得更好的路面壓實效果。為研究不同成型方法及次數(shù)對馬歇爾試件物理指標、路用性能的影響，文章選擇了旋轉(zhuǎn)壓實及馬歇爾擊實這兩種方法，研究不同壓實方法及擊實次數(shù)時對物理指標及路用性能的影響。結(jié)果表明：從瀝青混合料毛體積相對密度、空隙率的大小來看，馬歇爾擊實對于PAC-13排水瀝青混合料壓實效果更好;對于PAC-13排水瀝青混合料，在連通空隙率方面，馬歇爾擊實優(yōu)于旋轉(zhuǎn)壓實;在馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比方面，旋轉(zhuǎn)壓實優(yōu)于馬歇爾擊實，其中旋轉(zhuǎn)壓實成型在80次壓實和馬歇爾成型在50次擊實時可達到PAC-13排水瀝青混合料較好的路用性能。

關(guān)鍵詞：排水瀝青混合料;旋轉(zhuǎn)壓實;馬歇爾擊實;物理指標;路用性能

0 引言

為檢測排水瀝青混合料的各項路用性能，驗證設計結(jié)果是否滿足規(guī)范要求和使用條件，國內(nèi)大部分采用馬歇爾成型法進行試驗[1]，從而完成混合料配合比設計。近十年來隨著高速公路交通量的持續(xù)增加，重載車輛比例也越來越高，路面壓實機械噸位的提高使得馬歇爾擊實儀模擬實際路面壓實效果不再準確，僅單純增加馬歇爾擊實次數(shù)對瀝青混合料壓實效果的提升并不理想，偶爾還會產(chǎn)生粒徑偏大集料的破碎現(xiàn)象[2-3]。

排水瀝青混合料空隙比較大，單純地增加擊實次數(shù)進行重載瀝青混合料設計很容易造成集料的破碎從而使級配變細，影響瀝青混合料設計精度，同時對于開級配大空隙的排水瀝青混合料采用馬歇爾成型方法是否合適也需驗證。鑒于此，需要找尋一種更為合理的成型方法來滿足排水瀝青混合料（尤其重載交通）配合比設計。

在19世紀80年代，美國公路戰(zhàn)略研究所（SHRP）計劃進行了一項瀝青課題研究，總共耗時5年，耗費資金5 000萬美元，研究出了Superpave法[4]。張爭奇[5]通過分析Superpave旋轉(zhuǎn)壓實密度曲線發(fā)現(xiàn)其密度與路面施工密度更接近。周杰[6]等研究了旋轉(zhuǎn)壓實與現(xiàn)場壓實相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)壓能真實反映公路交通荷載的實際情況。因此本文采用旋轉(zhuǎn)壓實成型法與馬歇爾成型法進行對比，研究排水瀝青混合料試件的物理性質(zhì)及路用性能，以期得到一種更能反映路面實際情況的排水瀝青混合料成型方法供后續(xù)實體工程參考。

1 馬歇爾擊實與旋轉(zhuǎn)壓實成型概述

馬歇爾法是布魯斯·馬歇爾（Brue Mar shall）最早提出的方法，在19世紀40年代，美國陸軍工程兵部隊對馬歇爾法進行了改進，并增加了一些標準性的性能測試試驗，最后發(fā)展成瀝青混合料配合比設計標準方法[7]。馬歇爾擊實成型法操作方式簡單，費用較低，是最廣泛成熟的成型試件方法，但因其成型方式與實際情況不同也造成其缺點，即對車輛的水平剪切模擬性較差，隨著近年來交通量及重載車輛的比例增加，該方法局限性也更加明顯。

Superpave旋轉(zhuǎn)壓實是瀝青混合料通過設定的壓力、壓實角及轉(zhuǎn)速揉搓作用成型，可以更好地模擬施工壓實過程的揉搓、移動、重排、定向作用，成型過程能更進一步模擬還原現(xiàn)場施工過程，同時成型的瀝青混合料更符合現(xiàn)場實際施工碾壓和后續(xù)重復交通荷載下的路面材料。與馬歇爾擊實成型方法相對比，SGC旋轉(zhuǎn)壓實成型更符合瀝青混合料的現(xiàn)場施工碾壓成型，混合料可以在油石比較小的情況下，密實度更大，并能夠保證瀝青混合料更真實地體現(xiàn)高低溫性等路用性能。此外，旋轉(zhuǎn)壓實成型過程可以實時定量輸出混合料的高度、密度和空隙率等體積參數(shù)，更精確直觀地體現(xiàn)材料的性能信息。鑒于以上特點，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀（SGC）進行重載排水瀝青混合料設計。旋轉(zhuǎn)壓實儀SGC工作原理及壓實過程如圖1及圖2所示。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

（1）瀝青

瀝青為殼牌基質(zhì)瀝青，由92%SBS改性瀝青摻加8%的高黏改性劑，經(jīng)高速剪切20 min制備而成的高黏改性瀝青。

（2）集料

粗集料選用10～15 mm、5～10 mm兩檔輝綠巖集料，細集料為0～3 mm石灰?guī)r機制砂，均符合規(guī)范的要求。集料指標見表2。

2.2 級配

級配設計方法采用的是貝雷法[8]。集料篩分匯總見表3，集料密度見下頁表4。

采用貝雷法作為級配設計方法，最大公稱粒徑NMPS為13 mm，故第一控制篩孔PCS為2.36 mm，第二控制篩孔SCS為0.6 mm，第三控制篩孔TCS為0.15 mm。根據(jù)貝雷法和表3所示集料篩分結(jié)果，文中粗細集料劃分界限PCS為2.36 mm，有兩檔粗集料（CA-1粗集料粒徑為10～15 mm，CA-2粗集料粒徑為5～10 mm），一檔細集料FA粒徑為0～3 mm，填料[WTB1X]MF[HTXH]為礦粉。設計密度取松裝密度的100%，設計0.075 mm篩通過率P0.075設計為5%，CA-1和CA-2按體積比52∶48組成。預留空隙率為34%。級配設計步驟如下所示：

貝雷法計算所得合成礦料級配，初試油石比4.8%，進行排水瀝青混合料孔隙率、穩(wěn)定度等關(guān)鍵指標檢測。各項性能參數(shù)見表4，均滿足設計要求，可進行下一步研究。

（1）初步計算

CA-1和CA-2按52∶48比例混合后，單位體積內(nèi)粗集料量為：

CA-1∶1.67×100%×52%=0.868 4

CA-2∶1.61×100%×48%=0.772 8

粗集料間隙率為：

設粗集料空隙由細集料和預留空隙組成，所需細集料量及單位體積粗細集料總量為：

（0.453 4-0.34）×1.62=0.183 7